高中人教物理選擇性必修二專題13 機(jī)械波-學(xué)生版

1、專題13 機(jī)械波（學(xué)生版）一、目標(biāo)要求目標(biāo)要求重、難點(diǎn)機(jī)械波的產(chǎn)生條件與分類重難點(diǎn)機(jī)械波的描述重點(diǎn)機(jī)械波的干涉和衍射多普勒效應(yīng)二、知識點(diǎn)解析1機(jī)械波(1)機(jī)械波的形成與傳播形成：介質(zhì)中相鄰質(zhì)點(diǎn)有相互作用力，一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)會(huì)引起相鄰質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，這樣初始振動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)狀態(tài)通過介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)由近及遠(yuǎn)向外傳遞就形成了機(jī)械波振動(dòng)狀態(tài)傳播的方向就是波的傳播方向引起初始振動(dòng)的裝置稱為波源特點(diǎn) a由于質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)并不是同步調(diào)，后一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)總滯后于前一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，這樣同一時(shí)刻下各質(zhì)點(diǎn)離開平衡位置的位移并不相同，就在介質(zhì)中形成了凸凹相間的波形，如圖1所示的繩波圖1b離波源越遠(yuǎn)，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)就越滯后，但每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的起振方

2、向與波源的起振方向相同c由于介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)都做受迫振動(dòng)，因此各質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)頻率與波源的振動(dòng)頻率相同d波傳播的是振動(dòng)這種運(yùn)動(dòng)形式，各質(zhì)點(diǎn)在自己的平衡位置附近振動(dòng)，并不隨波的傳播而遷移形成條件a有持續(xù)振動(dòng)的波源b傳播振動(dòng)的介質(zhì)(2)機(jī)械波的分類按照介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和波的傳播方向的關(guān)系不同，常將波分為橫波和縱波橫波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直的叫做橫波，凸起的最高處叫波峰，凹下的最低處叫波谷如圖2所示的繩波就是一種橫波縱波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向在同一條直線上的波叫縱波質(zhì)點(diǎn)分布密的部分叫密部，分布疏的部分叫疏部，如圖3所示的彈簧波是一種縱波圖2圖32波的圖象及描述我們以橫波為例研究波的圖

3、象及特點(diǎn)(1)圖象的建立用橫坐標(biāo)x表示波的傳播方向上介質(zhì)中各質(zhì)點(diǎn)的平衡位置，縱坐標(biāo)y表示某一時(shí)刻各個(gè)質(zhì)點(diǎn)偏離平衡位置的位移，并規(guī)定橫波中位移向上時(shí)y取正值，建立如圖4所示的波的圖象波的圖象有時(shí)也稱波形圖或波形圖4(2)意義：波的圖象描述的是某一時(shí)刻介質(zhì)中各個(gè)質(zhì)點(diǎn)偏離平衡位置的位移(3)特點(diǎn)波的形狀與質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)情況有關(guān)，若介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)做簡諧運(yùn)動(dòng)，則形成的波的圖象也是正弦曲線，這樣的波稱為正弦波，也叫簡諧波波在傳播過程中，各質(zhì)點(diǎn)在不同時(shí)刻的位移不相同，因此不同時(shí)刻下波的圖象也不相同但質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)具有周期性，因此質(zhì)點(diǎn)每振動(dòng)一個(gè)周期，波的圖象就重復(fù)一次(4)波長定義：振動(dòng)相位總是相同的兩個(gè)相鄰質(zhì)點(diǎn)間的距

4、離，用表示理解a在橫波中，兩個(gè)相鄰波峰或兩個(gè)相鄰波谷之間的距離等于波長；在縱波中，兩個(gè)相鄰密部或兩個(gè)相鄰疏部之間的距離等于波長b由于波具有周期性，若兩質(zhì)點(diǎn)之間的距離為波長的整數(shù)倍，則兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)情況完全一致(5)頻率定義：在波動(dòng)中，各質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的周期或頻率均相同，且都等于波源的周期或頻率，這個(gè)周期或頻率也是波的周期或頻率周期用T表示，頻率用f表示理解a波上的質(zhì)點(diǎn)每振動(dòng)一個(gè)周期T，波在介質(zhì)中向前傳播的距離剛好等于一個(gè)波長b波的頻率由波源決定，與介質(zhì)無關(guān)，波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)波的頻率不變(6)波速定義：波速是指波在介質(zhì)中傳播的速度，用v表示理解a機(jī)械波的速度只與傳播介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)波在同一

5、介質(zhì)中勻速向前傳播，波速是不變的b由于在一個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)，波在介質(zhì)中傳播的距離等于一個(gè)波長，因而可以得到波長、周期T和波速v三者的關(guān)系為：根據(jù)，則有3波的傳播方向與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向(1)機(jī)械波上的質(zhì)點(diǎn)有這樣的特點(diǎn)：后一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)總是由前一個(gè)質(zhì)點(diǎn)帶動(dòng)的，我們可以利用該特點(diǎn)判定波的傳播方向與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向之間的聯(lián)系若P、Q相鄰兩質(zhì)點(diǎn)正在向上振動(dòng)，如圖所示，可以看出Q的振動(dòng)滯于P，因此是由P帶動(dòng)Q的振動(dòng)，則該列波正在向右傳播(2)其他方法除同側(cè)法外，還可以利用下面兩種方法判定波的傳播方向和質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向微平移法已知波的傳播方向，可以將波的圖形沿傳播方向略微平移，由于質(zhì)點(diǎn)只在其平衡位置附近振動(dòng)，則可根據(jù)平移

6、后的圖形判定質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向，如圖所示，若波向右傳播，則平移后的圖形如虛線所示，此時(shí)P質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)到P 處，可知P質(zhì)點(diǎn)正在向上振動(dòng)；“上坡下、下坡上”沿波的傳播方向看去，處于上坡的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向向下，而處于下坡的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向向上4因波形的周期性導(dǎo)致的多解問題已知某列波上a、b兩質(zhì)點(diǎn)之間的距離為L，此時(shí)a正處于波峰位置，b正處于波谷位置，求解波的波長由于波形的周期性，a、b之間可能有多個(gè)完整的波形，如圖所示：因此：，n=0、1、2則波的波長，n=0、1、25.因傳播方向的不確定導(dǎo)致的多解問題如圖所示，實(shí)線為t=t0時(shí)刻機(jī)械波的波形，虛線為t=t1時(shí)刻的波形；由于不清楚波的傳播方向，因此可能有以下兩種情況：

7、波向右傳播，考慮到波的周期性，波向右傳播的距離為，n=0、1、2，由于波在一個(gè)周期內(nèi)傳播的距離為一個(gè)波長，因此，n=0、1、2即，n=0、1、2波長與波速之間的關(guān)系即，n=0、1、2波向左傳播，則波向左傳播的距離為，n=0、1、2，n=0、1、2即，n=0、1、2波長與波速之間的關(guān)系即，n=0、1、26波的衍射(1)波的衍射 波能夠繞到障礙物的后面?zhèn)鞑サ默F(xiàn)象，叫做波的衍射如圖所示(2)產(chǎn)生明顯衍射現(xiàn)象的條件縫、孔的寬度或障礙物的尺寸跟波長相差不多或者比波長更小7波的干涉(1)波的疊加原理在幾列波傳播的重疊區(qū)域內(nèi)，質(zhì)點(diǎn)要同時(shí)參與由幾列波引起的的振動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)的總位移等于各列波單獨(dú)存在時(shí)在該處引起的振

8、動(dòng)位移的矢量和，這就是波的疊加原理(2)波的干涉頻率相同的兩列波疊加，使某些區(qū)域的振動(dòng)總是加強(qiáng)，某些區(qū)域的振動(dòng)總是減弱，并且加強(qiáng)區(qū)和減弱區(qū)相互間隔這種現(xiàn)象叫做波的干涉形成的圖樣叫干涉圖樣，如圖所示(3)兩列波干涉的必要條件兩列波的頻率相同，且具有固定的相位差8多普勒效應(yīng)波源與觀察者保持相對靜止時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過觀察者的波峰(或密部)數(shù)目是一定的，觀察到的頻率等于波源振動(dòng)的頻率；當(dāng)波源與觀察者相互靠近時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過觀察者的波峰(或密部)數(shù)目增加，觀察到的頻率增加；反之，當(dāng)波源與觀察者相互遠(yuǎn)離時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過觀察的波峰(或密部)數(shù)目減小，觀察到的頻率減小這種現(xiàn)象叫做波的多普勒效應(yīng)如上左圖所示

9、，甲接收到的頻率大于波源的頻率，乙接收到的頻率小于波源的頻率，在(u為波速)的極限情況下，乙接收不到S發(fā)出的波；如上右圖所示，甲接收到的頻率小于波源的頻率，乙接收到的頻率大于波源的頻率，在(u為波速)的極限情況下，甲接收不到S發(fā)出的波9多普勒效應(yīng)的應(yīng)用(1)測速儀：安裝在公路上方的多普勒測速儀可以向行進(jìn)的車輛發(fā)出頻率已知的超聲波，超聲波反射后又被多普勒測速儀接收根據(jù)反射波頻率變化就可以測量車輛的行進(jìn)速度(2)彩超：檢驗(yàn)儀器向人體內(nèi)發(fā)射頻率已知的超聲波，超聲波被血管內(nèi)的血流反射后又被儀器接收，測出反射波頻率變化，就可以知道血流的速度，從而檢驗(yàn)人體臟器的病變與否這種方法被稱為“彩超”(3)紅移和藍(lán)

10、移：宇宙中的星體都在不停地運(yùn)動(dòng)，測量星球表面某些元素發(fā)出的光波的頻率，然后與地球上這些元素靜止時(shí)發(fā)光的頻率對比，就可以測得星球靠近或遠(yuǎn)離地球的速度在電磁波譜上，紅光的頻率比藍(lán)光的頻率小，紅光的波長比藍(lán)光的波長大，當(dāng)星球靠近地球時(shí)，我們所接收到的光頻率變大，波長變短，向電磁波譜的藍(lán)色端移動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為藍(lán)移；相反，星球遠(yuǎn)離地球時(shí)我們接收到的光頻率變小，波長變長，向電磁波譜的紅色端移動(dòng)，這種現(xiàn)象被稱為紅移三、考查方向題型1：機(jī)械波的形成與傳播典例一：關(guān)于一列簡諧波，下面說法中正確的是( )A波動(dòng)的產(chǎn)生需要兩個(gè)條件，即波源和傳播波的介質(zhì)B波動(dòng)過程是質(zhì)點(diǎn)由近向遠(yuǎn)傳遞的過程C波由一種介質(zhì)傳到另一種介質(zhì)，

11、頻率變大D同一性質(zhì)的波在同種介質(zhì)中傳遞時(shí)，頻率不同，波速不同題型2：波的圖像及描述波的物理量典例二：一列沿x軸正方向傳播的簡諧機(jī)械橫波，波速為4 m/s某時(shí)刻波形如圖所示，下列說法正確的是( )A這列波的振幅為4 cmB這列波的周期為8 sC此時(shí)x=4 m處質(zhì)點(diǎn)速度向右D此時(shí)x=4 m處質(zhì)點(diǎn)的加速度為0題型3：波的傳播方向和振動(dòng)方向的聯(lián)立考查典例三：（2020北京）一列簡諧橫波某時(shí)刻波形如圖甲所示。由該時(shí)刻開始計(jì)時(shí)，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)情況如圖乙所示。下列說法正確的是A該橫波沿軸負(fù)方向傳播B質(zhì)點(diǎn)該時(shí)刻向軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)C質(zhì)點(diǎn)經(jīng)半個(gè)周期將沿軸正方向移動(dòng)到點(diǎn)D該時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)與的速度、加速度都相同題型4：多解問題典例

12、四：（2018北京）如圖所示，一列簡諧橫波向右傳播，、兩質(zhì)點(diǎn)平衡位置相距。當(dāng)運(yùn)動(dòng)到上方最大位移處時(shí)，剛好運(yùn)動(dòng)到下方最大位移處，則這列波的波長可能是ABCD題型5：波的干涉和衍射典例五：（2019全國理綜III卷多選）水槽中，與水面接觸的兩根相同細(xì)桿固定在同一個(gè)振動(dòng)片上。振動(dòng)片做簡諧振動(dòng)時(shí)，兩根細(xì)桿周期性觸動(dòng)水面形成兩個(gè)波源。兩波源發(fā)出的波在水面上相遇。在重疊區(qū)域發(fā)生干涉并形成了干涉圖樣。關(guān)于兩列波重疊區(qū)域內(nèi)水面上振動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)，下列說法正確的是_。A不同質(zhì)點(diǎn)的振幅都相同B不同質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的頻率都相同C不同質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的相位都相同D不同質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的周期都與振動(dòng)片的周期相同E同一質(zhì)點(diǎn)處，兩列波的相位差不隨時(shí)間變

13、化題型6：多普勒效應(yīng)典例六：（2020新課標(biāo)多選）在下列現(xiàn)象中，可以用多普勒效應(yīng)解釋的有A雷雨天看到閃電后，稍過一會(huì)兒才能聽到雷聲B超聲波被血管中的血流反射后，探測器接收到的超聲波頻率發(fā)生變化C觀察者聽到遠(yuǎn)去的列車發(fā)出的汽笛聲，音調(diào)會(huì)變低D同一聲源發(fā)出的聲波，在空氣和水中傳播的速度不同E天文學(xué)上觀察到雙星（相距較近、均繞它們連線上某點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)的兩顆恒星）光譜隨時(shí)間的周期性變化四、模擬訓(xùn)練一、基礎(chǔ)練習(xí)1.下列關(guān)于機(jī)械波的說法正確的是( )A聲波是機(jī)械波，其傳播方向與介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向垂直B機(jī)械波在介質(zhì)中的傳播速度由介質(zhì)本身的性質(zhì)決定C介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)每經(jīng)過一個(gè)周期沿波的傳播方向移動(dòng)一個(gè)波長的距離D機(jī)械

14、波在傳播過程中，越遠(yuǎn)的質(zhì)點(diǎn)其振動(dòng)周期越小2.如圖所示是某一時(shí)刻的波形圖象，波沿x軸正方向傳播，波速是12 m/s，則波長和頻率分別是( )A3 cm；200 HzB6 cm；200 HzC2 cm；400 HzD12 cm；50 Hz3.如圖所示為一列簡諧波在某一時(shí)刻的波形，圖中已標(biāo)出D質(zhì)點(diǎn)此時(shí)的運(yùn)動(dòng)方向，下列說法正確的是( )A波向右傳播B質(zhì)點(diǎn)E此時(shí)運(yùn)動(dòng)方向與D相同C此時(shí)A點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向向下D質(zhì)點(diǎn)C比質(zhì)點(diǎn)B先回到平衡位置4.如圖為一列簡諧橫波某時(shí)刻的波形圖，已知質(zhì)點(diǎn)P此時(shí)的運(yùn)動(dòng)方向如圖所示，則( )A波向右傳播B此時(shí)質(zhì)點(diǎn)a的加速度為零C質(zhì)點(diǎn)a比b先回到平衡位置D質(zhì)點(diǎn)c與P的運(yùn)動(dòng)方向相同5.一列

15、向右傳播的簡諧波周期為0.8 s，在t=0時(shí)的波形如圖所示，質(zhì)點(diǎn)P處于平衡位置在t=1.2 s時(shí)，質(zhì)點(diǎn)P( )A向上運(yùn)動(dòng)B位移為30 cmC向右移動(dòng)0.6 m D仍在原來的位置6.（2014山東多選）一列簡諧波沿直線傳播，以波源由平衡位置開始振動(dòng)為計(jì)時(shí)零點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)圖象如圖所示，已知，的平衡位置相距，以下判斷正確的是A波長為B波源起振方向沿軸正方向C波速大小為D質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)能在時(shí)最大7.（2014福建）在均勻介質(zhì)中，一列沿軸正向傳播的橫波，其波源在第一個(gè)周期內(nèi)振動(dòng)圖象如圖所示，則該波在第一個(gè)周期末的波形圖是A BCD8.圖甲為一列簡諧波在t=0.10 s時(shí)刻的波形圖，P是平衡位置為x=1.0 m

16、處的質(zhì)點(diǎn)，Q是平衡位置為x=4.0m處的質(zhì)點(diǎn)，圖乙為質(zhì)點(diǎn)Q的振動(dòng)圖象，則( )A在t=0.25 s時(shí)，質(zhì)點(diǎn)P的速度方向?yàn)閥軸正方向B質(zhì)點(diǎn)Q簡諧運(yùn)動(dòng)的表達(dá)式為y=10sint (cm)C從t=0.10 s到t=0.20 s，該波沿x軸正方向傳播了4 mD從t=0.10 s到t=0.25 s，質(zhì)點(diǎn)P通過的路程為30 cm9.一列簡諧橫波沿軸負(fù)方向傳播，圖甲是時(shí)的波形圖，圖乙是波中某振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的位移隨時(shí)間變化的振動(dòng)圖象（兩圖用同一時(shí)刻做起點(diǎn)），則圖乙可能是圖甲中哪個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)圖象A處的質(zhì)點(diǎn)B處的質(zhì)點(diǎn) C處的質(zhì)點(diǎn) D處的質(zhì)點(diǎn)10.一列簡諧橫波沿直線由A向B傳播，相距10.5 m的A、B兩處的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)圖象

17、如圖a、b所示，則( )A該波的振幅一定是20 cmB該波的波長可能是14 mC該波的波速可能是10.5 m/sD該波由a傳播到b可能歷時(shí)7 s11.(多選)如圖所示，是干涉消聲器的原理示意圖，聲波從左管進(jìn)來，在a處分成上、下兩路，然后在b處相遇時(shí)發(fā)生干涉，使聲音減弱消失關(guān)于該消聲器，下列說法正確的是( )A為達(dá)到較好的消聲效果，聲波經(jīng)上下兩路的路程差應(yīng)為半波長的偶數(shù)倍B為達(dá)到較好的消聲效果，聲波經(jīng)上下兩路的路程差應(yīng)為半波長的奇數(shù)倍C該消聲器能減弱或消除各種不同頻率的聲音D該消聲器只能減弱或消除特定頻率的聲音12.如圖所示，振幅、頻率均相同的兩列波相遇，實(shí)線與虛線分別表示兩列波的波峰和波谷。某

18、時(shí)刻，點(diǎn)處波峰與波峰相遇，下列說法中正確的是A該時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)正處于平衡位置B、兩質(zhì)點(diǎn)始終處在平衡位置C隨著時(shí)間的推移，質(zhì)點(diǎn)將沿波的傳播方向向點(diǎn)處移動(dòng)D從該時(shí)刻起，經(jīng)過二分之一周期，質(zhì)點(diǎn)將到達(dá)平衡位置13.如圖所示觀察水面波衍射的實(shí)驗(yàn)裝置，AC和BD是兩塊擋板，AB是一個(gè)小孔，O是波源，圖中已畫出波源所在區(qū)域的傳播情況，每兩條相鄰的波紋(圖中曲線)之間距離表示一個(gè)波長，則對于波經(jīng)過孔之后的傳播情況，下列描述正確的是( )此時(shí)能明顯觀察到波的衍射現(xiàn)象如果將孔AB擴(kuò)大，有可能觀察不到明顯的衍射現(xiàn)象擋板前后波紋之間距離相等如果孔的大小不變，使波源頻率增大，一定能明顯觀察到衍射現(xiàn)象A只有 B只有 C只有 D

19、14.如圖所示，向左勻速運(yùn)動(dòng)的小車發(fā)出頻率為f的聲波，車左側(cè)A處的靜止的人感受到的聲波的頻率為f1，車右側(cè)B處的靜止的人感受到的聲波的頻率為f2，則( )Af1f，f2fBf1f，f2fCf1f，f2fDf1f，f2f15.如圖所示，實(shí)線是某時(shí)刻的波形圖線，虛線是0.4 s后的波形圖線(1)求該波的波長、振幅和向右傳播的最大周期；(2)若波向左傳播，求它的傳播速度；(3)若波速為52.5 m/s，求波的傳播方向二、提升練習(xí)1.(2020高考全國理綜III卷)如圖，一列簡諧橫波平行于x軸傳播，圖中的實(shí)線和虛線分別為t=0和t=0.1 s時(shí)的波形圖。已知平衡位置在x=6 m處的質(zhì)點(diǎn)，在0到0.l s時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)方向不變。這列簡諧波的周期為_s，波速為_m/s，傳播方向沿x軸_（填“正方